矿用5G智能终端数据交互和共享规范研究

蔡峰， 王陈书略， 乔梁， 包晓波， 张冬阳

（1. 中国中煤能源集团有限公司，北京 100120；2. 中煤信息技术（北京）有限公司，北京 100120；3. 上海山源电子科技股份有限公司，上海 201600；4. 应急管理部信息研究院，北京 100029）

0 引言

2022年4月，国务院安全生产委员会发布的《“十四五”国家安全生产规划》中明确提出了煤矿和非煤矿山机械化、智能化的具体要求，并设立了“工矿商贸就业人员十万人生产安全事故死亡率下降20%”、“煤矿百万吨死亡率下降10%”的目标。矿山智能化建设是解决矿山安全的重要举措[1-5]。实现智能化的首要条件为引入新的信息技术，其中，以5G为代表的新一代移动通信技术开始落地于智能矿山的建设，利用成熟的5G技术，凭借其支持边缘计算、大数据、端到端数据传输的优势，联合UWB等异系统，全方位构建“5G+智能矿山”[6-8]。

为推动矿山智能化发展，以中国移动、中国联通、中国电信、华为、中兴、新华三等为代表的传统ICT（Information and Communication Technology，信息通信技术）公司也开始将目光瞄向矿山领域，利用5G技术，结合人工智能、数字孪生技术，为矿山智能化建设提供了有力支撑[9-12]。其中，5G智能终端和管控平台作为数据传输和共享的节点，成为构建“5G+智能矿山”的重要组成部分。

然而，在目前的矿山应用场景中，普遍存在设备控制时延高、子系统协同性差、智能终端类型匮乏、数据类型不明确等问题。特别是在矿用5G智能终端与管控平台之间的数据交互和数据共享过程中，不同厂商实现的方式不同，传输协议杂乱，对矿用5G智能终端提出了较高的要求，不同厂商之间的矿用5G智能终端与管控平台很难实现互通。因此，本文在文献[13]的基础上，研究矿用5G智能终端数据交互和共享规范。

1 矿用5G系统及消息

目前，矿用5G系统采用云、边、端的架构模式，即以工业环网为骨干传输通道，支持5G无线网络的接入。在5G无线通信接入方面，除符合已有5G通信行业标准外，还应符合相关规范和技术要求[14]。

“5G+智能矿山”的部署架构如图1所示。5G核心网部署在矿井上，通过地面交换机（SPN）与地面5G基站连接；利用井下交换机实现地面5G基站与井下5G基站的连接；矿用5G智能终端与井下5G基站通过无线方式连接。其中，矿用5G智能终端包括矿用5G智能手机、5G平板电脑、5G传感器、5G网关、5G高清摄像头、5G智能矿灯和5G可穿戴智能设备等。矿用5G智能终端通过基站和核心网与包含管控平台的服务器实现数据交互和共享。

图1 “5G+智能矿山”的部署架构Fig. 1 Deployment architecture of "5G + intelligent mine"

1.1 消息基本概念

1.1.1 消息类型

矿用5G系统中传输的消息类型通常分为BYTE型、WORD型、DWORD型、MDWORD型、FLOAT型等，不同类型消息的定义及最高占用的字节数不同，见表1。

1.1.2 消息传输格式

对于矿用5G系统中的消息，其传输协议一般采用小端模式（little-endian）的网络字节序来传递字和双字。对于表1中定义的字节，需要进行如下约定：

1） 对于单字节（BYTE）的传输，按照字节流的方式传输。

2） 对于双字节（WORD）的传输，先传递低8位，再传递高8位。

3） 对于4字节（DWORD）的传输，先传递低8位，后传递高8位，再传递高16位，最后传递高24位。

4） 对于4字节（FLOAT）的传输，先传递高8位，再传递高16位，最后传递高24位。

5） 对于8字节（DOUBLE）的传输，先传递高8位，再传递高16位，随后传递高24位及高32位，再传递高40位，最后传递高56位。

6） 对于8字节（INT64）的传输，先传递高8位，随后传递高16位，然后传递高24位，接着传递高32位，再传递高40位，最后传递高56位。

1.1.3 消息组成

消息结构：标志位-消息头-消息体-校验码-标志位。

1） 标志位：标记数据包的起始位置。通常采用<回车>（0x0d）和<换行>（0x0a），若校验码、消息头及消息体中出现0x0a，则要进行转义处理。

转义处理过程：① 发送消息时。消息封装→计算并填充校验码→转义。② 接收消息时。转义还原→验证校验码→解析消息。

2） 消息头：表示消息的起始位置。消息头内容见表2。

3） 消息体：表示消息内容。消息体属性格式结构：1-9位，消息体长度；10-12位，数据加密方式；13-15位，保留。

考虑到信息的安全性问题，需要对消息进行加密处理。针对不同的比特位，加密方式：10-12位为数据加密标志位；当10-12位都为0，表示消息体不加密；当10位为1，表示消息体经过RSA算法加密；其他保留。

4） 校验码：一种识别、校验消息是否安全的一串码字。从消息头开始，同后一字节异或，直到校验码前一个字节，通常使用1个字节表示。

1.2 消息连接

在矿用5G智能终端和管控平台之间的消息传递过程中，可以实现消息的连接建立、消息的连接维持及消息的连接断开。

1.2.1 连接建立

矿用5G智能终端与管控平台的信息传递通常采用TCP方式连接。在矿用5G智能终端复位后应尽快与管控平台建立连接，连接建立成功后，立即向管控平台发送矿用5G智能终端的鉴权消息进行鉴权，以确定矿用5G智能终端的身份。

1.2.2 连接维持

矿用5G智能终端与管控平台连接建立并确定矿用5G智能终端鉴权成功后，若此时矿用5G智能终端没有数据包要发送，可周期性地向管控平台发送矿用5G智能终端的心跳消息，管控平台收到后向矿用5G智能终端发送通用的应答消息，以维持与矿用5G智能终端的连接。对于心跳信息，其发送周期由矿用5G智能终端自行决定。

1.2.3 连接断开

对于采用TCP协议的连接方式，支持矿用5G智能终端与管控平台的主动断开连接方式。此时，矿用5G智能终端与管控平台都可以主动判断TCP连接是否断开。

当管控平台判断TCP连接是否断开时，支持如下方法。

1） 管控平台根据TCP协议判断矿用5G智能终端已经主动断开。

2） 若矿用5G智能终端与其他管控平台已经建立了新连接，管控平台确认与该矿用5G智能终端的连接已断开。

3） 当管控平台在一定时间内未收到矿用5G智能终端发出的消息（如心跳消息），则确定该矿用5G智能终端与管控平台TCP连接断开。

当矿用5G智能终端判断TCP连接是否断开时，支持如下方法。

1） 矿用5G智能终端根据TCP协议判断与管控平台的连接是否断开。

2） 当矿用5G智能终端与管控平台的通信链路断开时，可确认TCP连接已经断开。

3） 矿用5G智能终端与管控平台通信时，确认数据通信链路正常，但在周期时间段内，重传的次数超过预设门限，且仍未收到应答消息时，矿用5G智能终端确认与管控平台的TCP连接已经断开。

2 5G系统数据类型及应用场景

2.1 数据类型

2.1.1 语音数据

语音数据可用于生产调度场景中，随着5G系统在矿山领域的普及，除了支持VoLTE或VoIP等模式外，也可使用VoNR技术进一步提升语音通话质量，降低掉话率。

为进一步降低语音系统的复杂度，支持5G无线通信系统的矿用5G智能终端可实现强插、强拆、监听、转接、代接、组呼、广播、禁话等调度功能，即实现基于VoIP、VoLTE、VoNR等的语音调度功能。

2.1.2 视频数据

视频数据具有高速率的特点，对于部署大量摄像头的智能综采面和智能掘进面，可用于视频监控和AI分析等场景中，通过H.264（AVC）或H.265（HEVC）等协议，利用5G技术，实时将信息传输至网络平台。

实际上，面向智能矿山领域中的工业视频设备主要用于煤矿井下巷道、工作面、变电所、胶带运输区等各类图像监控与行为识别场所。

采用H.264协议的矿用5G视频数据传输，可支持帧内预测编码、帧间预测编码、整数离散余弦变换编码和熵编码等。矿用5G视频数据在传输之前，编码的VCL数据被映射或封装进NAL单元中。

采用H.265协议进行矿用5G视频数据传输时，使用VCL层对矿用5G视频数据进行压缩，并使用NAL层对矿用5G视频数据进行划分和封装。

2.1.3 传感数据

根据GB/T 36962—2018《传感数据分类与代码》[15]中的定义，传感数据表示由感知设备或传感设备感受、测量及传输的数据，具有数据包容量小、时延低、可靠性高等特点。使用支持5G功能的传感设备实时、动态地收集和测量数据（如振动、温湿度等），并利用5G系统将收集和测量的数据上传至5G基站，再通过5G基站传至核心网及各类服务器。

传感数据一般用于智能工作面和智能掘进面等场景。传感数据的传输通常可采用MQTT或Modbus 2种协议，且不同类型的矿用5G智能终端均可采用上述任意一种协议实现无线接入。

采用MQTT协议传输的矿用5G传感数据所支持的3种QoS等级见表3。

采用MQTT协议的矿用5G系统传感数据可分成单测点传感器数据、多测点传感器数据和心跳包传感器数据3种，其中单测点传感器数据和多测点传感器数据报文一般采用json格式。

对于面向工业领域的通信方式，通常将Modbus TCP协议用于连接工业电子设备。工业电子设备可具备多种电气接口，其中，物理接口采用LAN接口，端口号可设置为502。使用Modbus TCP协议的工业电子设备采用包括主站和从站的主从模式，从站为服务方，用于应答主站的数据召唤。

对于Modbus TCP协议中的数据帧，可分为报文头和帧结构2个部分。报文头由“事务处理标志”“协议标志”“长度标志”“单元标志”构成，一般占用占7个字节。“事务处理标志”占2个字节，表示报文的序列号，一般情况下，每次通信之后加1；“协议标志”占2个字节，使用“00”表示Modbus TCP协议；“长度标志”占2个字节，表示数据长度；“单元标志”占1个字节，表示设备地址。帧结构由“功能码”和“数据”构成。“功能码”占1个字节，而“数据”占用的字节个数取决于具体的功能实现。Modbus TCP协议通常支持8个功能码，对应“线圈、离散输入、输入寄存器、保持寄存器”等对象的读写操作。

在传感数据交互方面，包括“数据请求”和“数据响应”2个部分。传感数据的“数据请求”功能码包括“读线圈状态”“读离散输入状态”“读输入寄存器”“读保持寄存器”等。“数据请求”的帧结构和全帧结构分别可使用4个字节和12个字节表示。“数据响应”的帧结构使用4个字节表示，“数据响应”的全帧结构的字节数取决于寄存器和线圈数量。

2.1.4 控制类数据

矿山领域中的控制类数据传输具备低时延、高可靠性的特点，可用于工作面中的采煤机远控、掘进面中的掘进机远控、辅助运输等场景。矿用5G系统控制类数据可采用Modbus、OPC或MQTT等协议传输，也可采用CANopen、EtherCAT、IEC 104等传输协议。

MQTT协议满足ISO/IEC 20922:2016[16]，Modbus协议满足GB/T 41868—2022《Modbus TCP安全协议规范》[17]，EtherCAT协议满足GB/T 36006—2018《控制与通信网络Safety-over-EtherCAT规范》[18]。IEC 104协议满足DL/T 634.5104—2009《运动设备及系统第5-104部分：传输规约采用标准传输协议集的IEC 60870-5-101网络访问》[19]，由国际电工委员会制定，为远动信息的网络传输提供了通信规约依据。采用104规约组合101规约的ASDU的方式后，可很好地保证规约的标准化和通信的可靠性。

2.2 应用场景

面向矿山智能化建设，矿用5G智能终端既可用于露天矿，也可用于井工矿。利用先进的5G通信技术，可传输语音数据、视频数据、传感数据和控制类数据等。

不同应用场景下的数据类型见表4。

表4 不同应用场景下的数据类型Table 4 Data types in different application scenarios

面向露天矿，矿用5G智能终端应用的场景包括辅助驾驶和矿山数字孪生等子场景。在辅助驾驶子场景中，利用5G蜂窝通信技术实现矿卡与5G基站、矿卡与5G智能终端的通信。其中，通过将5G网关部署至矿卡，可以实现矿卡与矿卡之间的车联网通信，以解决传统5G蜂窝通信下的高负载问题。辅助驾驶场景中，通信的收发端之间以语音数据、视频数据、控制类数据为主。通过语音数据实现任务下达，通过视频数据可实时监控矿卡的行驶路线，控制类数据主要用于传输一些对时延要求低的控制信令，以保证语音数据、视频数据等的传输。在矿山数字孪生子场景中，主要利用数字孪生技术实现中心平台、物理模型和孪生模型之间的数据传输，该场景主要传输语音数据、控制类数据和视频数据，一方面可通过中心平台构建与物理模型的数字孪生模型，另一方面也可通过在数字孪生环境中进行相应的操作和仿真，对物理模型进行试错和可行性分析。

面向井工矿，矿用5G智能终端应用的场景包括远程控制、智能探测、智能开采和智能掘进等子场景。无论是综采工作面还是掘进工作面，都需要远程控制和智能探测。在远程控制子场景中，需要传输的数据包括语音数据、视频数据、控制类数据；在智能探测子场景中，需要传输的数据包括传感数据和控制类数据；在智能开采及智能掘进子场景中，不但需要传输语音数据、视频数据、控制类数据，还需要传输一些传感数据。

3 矿用5G智能终端数据交互

矿用5G智能终端与管控平台之间进行数据交互。在支持5G网络的情况下，矿用5G智能终端采用插拔式SIM/USIM卡或焊接式SIM卡的方式通过5G基站接入5G核心网，实现数据采集和传输。在通信方面，矿用5G智能终端支持5G/4G双模及WiFi网络通信等。对于支持5G系统的矿用5G智能终端，可支持SA或NSA工作模式，矿用5G智能终端使用频段满足YD/T 3627—2019《5G数字蜂窝移动通信网 增强移动宽带终端设备技术要求（第一阶段）》[20]要求，包括工作模式、各通信协议层所支持的基本功能要求、射频指标、接口要求和安全要求等。对于应用于煤矿领域的5G智能终端，其所在电路上的总发射功率应不高于6 W，这在一定程度上限定了矿用5G智能终端的发射功率，对矿用5G智能终端的射频指标提出了特殊要求。

3.1 矿用5G智能终端和管控平台能力

矿用5G智能终端首先应具备Web管理、APN配置、用户名密码设置和更改、认证等能力，此外，也应具备重启、复位、通过Web升级、通过Web前端或平台远程发送AT指令等能力，具备升级文件下发、从平台接收升级文件及上报接收进度、完成版本校验及升级等能力，对于可设置的以太网口，包含了IP地址、掩码、DHCP Server等信息。在日志采集方面，矿用5G智能终端具备采集日志、接收平台下发的采集指令及上报当前终端日志信息等能力。在协议转发方面，矿用5G智能终端支持三层转发或二层转发：三层转发能力方面，具备网络地址转换、上行地址转换、端口映射和DMZ等能力外，还具备从核心网访问多个终端以太网口设备的能力；二层转发能力方面，可支持使用5G LAN技术。

管控平台具备矿用5G智能终端管理、数据分析、数据共享和数据服务等功能。随着富通信业务的普及，可为矿用5G智能终端提供多种即时通信系统，为所有运营商下属的终端用户提供服务，用户可了解地址簿中的服务能力，富通信业务的QoS等级通过运营商提供。富通信业务基于IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒体系统），由3GPP制定并被移动网和固网采用，富通信业务的业务特征与业务要求满足YD/T 3561—2019《富通信业务（RCS）总体技术要求（第二阶段）》[21]。

在矿用5G系统中交互的数据多产生于外部服务器。同时，目前的5G核心网支持非3GPP接入网通过应用程序功能实体接入，实现与5G系统下各类终端、基站的数据交互。矿用5G智能终端与管控平台之间数据交互的通信链路如图2所示。矿用5G智能终端通过无线方式将数据通过Uu接口发送至5G基站，5G基站通过有线方式将该数据发送至核心网（如发送至用于数据处理的UPF（User Port Function，用户平面功能）单元），核心网将该数据发送至包含管控平台的服务器。

数据分析方面，用于对数据抖动、数据传输时延、数据传输速率等的分析功能，可引入AI算法对数据进行分析；数据共享方面，通常用于实现5G与其他异构网络系统的数据共享，如5G与LTE、5G与WiFi等；数据服务方面，无论是管控平台还是各类基站，可为各类矿用5G智能终端提供数据服务。数据显示方面，使用Web显示RSRP、RSRQ、SINR、IMSI、PLMN、矿用5G智能终端IP、在线状态、在线时间、在线时长等参数。

3.2 数据交互流程

矿用5G智能终端与管控平台数据交互时的流程包括设备信息查询与上报、设备升级、日志采集、告警下发及处理和平台配置下发及处理等。

1） 设备信息查询与上报。通常由矿用5G智能终端订阅，并由管控平台向矿用5G智能终端发布。矿用5G智能终端进行信息查询后，可将软件版本、终端IP地址等信息进行上报；在网络的性能指标上报方面，矿用5G智能终端可向管控平台上报网络延时和瞬时速率。

2） 设备升级。矿用5G智能终端设备升级包括版本文件推送和版本文件传输进度上报2个部分。由矿用5G智能终端订阅，并由管控平台向矿用5G智能终端发布。

3） 日志采集。日志采集包括日志采集通知和日志采集进度上报2个部分。日志采集通知由矿用5G智能终端订阅，并由管控平台向矿用5G智能终端发布；日志采集进度上报由矿用5G智能终端订阅，并由管控平台使用日志采集通知的地址及端口号，创建SOCK_STREAM向矿用5G智能终端发送。

4） 告警下发及处理。告警下发及处理包括告警下发和告警处理结果上报2个部分。由矿用5G智能终端订阅，并由管控平台向矿用5G智能终端发布。

5） 平台配置下发及处理。实际包括平台的配置下发和配置下发处理及结果上报3个部分，由矿用5G智能终端订阅，并由管控平台向矿用5G智能终端发布。

此外，对于矿用5G智能终端与搭载管控平台的PC系统之间AT命令的数据交互，其概述、类型及语法需要符合标准3GPP TS 27.005（R15）和3GPP TS 27.007（R15）协议等的要求。通用命令、呼叫控制命令、网络服务相关命令、终端控制和状态命令、终端错误命令、分组域命令、短信模式指令一般基于YDT 3988—2021《5G通用模组技术要求（第一阶段）》[22]中规定的要求进行配置。

4 矿用5G智能终端数据共享

对于矿用5G系统传输的数据，主要在不同矿用5G智能终端、矿用5G智能终端与矿用5G基站、不同矿用5G基站、矿用5G智能终端与非5G智能终端等实体之间实现数据共享。对于非5G智能终端与矿用5G智能终端的通信，待共享的数据通过AF（Application Function，应用功能）实体接入5G核心网，与5G系统中的各类终端、基站实现数据共享。

4.1 数据共享参与实体

数据提供者负责采集和提供数据；数据决策者可识别数据等级以决策数据是否需要共享；数据管理者对数据进行收集、更新、检查、组织和管理，用于确定共享数据的适用范围、权限和安全等级，并向数据提供者反馈和核实；数据消费者向数据管理者请求获取共享数据。

4.2 数据共享安全等级

考虑到业务场景的需求不同，需要对共享的数据进行安全等级划分，包括无条件共享、有条件共享和不予共享。

无条件共享数据的安全等级最低，数据提供者可对任何数据消费者提供数据。有条件共享数据的安全等级中等，数据管理者需要确定数据的共享权限和范围，经数据决策者确定，将满足数据共享的权限和范围发送给数据提供者，数据提供者为数据消费者提供数据。不予共享数据的安全等级最高，数据提供者不能向任何数据消费者提供数据。

为了降低数据传输过程中的误码率，矿用5G智能终端和管控平台具备双向同步功能。矿用5G智能终端与管控平台、管控平台之间的数据共享使用5G无线通信协议及有线通信协议。

4.3 数据共享流程

数据共享流程如图3所示。

1） 数据汇聚。数据汇聚时，数据提供者负责向数据管理者提出数据汇聚请求，请求通过后，数据决策者对共享数据的权限、范围进行确定，数据管理者负责梳理共享数据的目录和信息，数据提供者负责提供共享数据。

2） 数据申请。数据申请包括共享数据的初次申请和更新申请。初次申请中，数据消费者向数据提供者发送数据共享请求，共享请求中包含申请数据共享的数据名称、类型、应用场景、系统使用时间、调用频率等信息。更新申请中，数据消费者向数据提供者发送共享数据更新请求，共享数据更新请求中包含共享数据更新的数据名称、类型、应用场景、系统使用时间、调用频率等信息，同时，也可包含共享数据更新原因。

3） 数据授权。基于共享数据的安全等级，由数据决策者确定数据是否需要共享，并由数据管理者确定数据的共享权限、范围。

4） 数据提供。数据提供者基于数据决策者的决策结果，通过5G无线通信协议或有线通信协议向数据消费者提供共享数据，数据管理者对共享数据进行跟踪、分析和控制。

5） 数据反馈。首先，数据消费者向数据管理者反馈共享数据的问题；其次，数据管理者根据共享数据的问题，整理、更新和修正数据；然后，数据决策者执行判决；最后，通过数据提供者向数据消费者提供更新的数据。

5 结语

目前，5G在矿山领域已经开始普及，但对于矿山领域中各类实体之间的数据交互和共享流程、传输协议等，暂无相关研究。基于此，介绍了数据交互和共享过程中涉及的参与实体和数据类型。在数据的共享应用方面，基于不同的应用场景对数据进行了分类，并给出了不同子场景所关联的数据类型。考虑到各厂商生产的矿用5G智能终端和管控平台类型不同，统一规范化了各类终端和管控平台具备的能力。面向矿用5G智能终端和管控平台，提出了数据交互和数据共享的具体实施流程，在保证通信可靠性的同时，降低了5G系统的复杂度，以加速“5G+智能矿山”的建设。